一种基于单线结构光的踏面基点检测方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种基于单线结构光的踏面基点检测方法，安装单线结构光传感器，列车轮轴所在轴线不位于光平面上；在标定车轮的踏面上设有特征点和标识；传感器向车轮踏面投射激光条，激光条穿过标识并部分投影在车轮内侧面；记光条中心线上标识的位置为点B；利用车轮内侧面上的点拟合直线L；根据直线L与点B求取基准内侧面以及基准法向量；检测时，传感器向车轮踏面投射激光条；获取结构光图像中的光条中心线；采用车轮内侧面上的点，利用其拟合直线；将经过该直线并且法向量为基准法向量的空间平面记为车轮内侧面；将距车轮内侧面间距70mm的点记为踏面基点。本方法无需光平面经过列车轮轴，减少了传感器的安装调试时间以及传感器制造成本。制造成本。制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单线结构光的踏面基点检测方法及其应用


[0001]本专利技术涉及轨道交通自动化检测领域，具体涉及一种基于单线结构光的踏面基点检测方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国铁路的快速发展，铁路线路不断增加，列车轮对的智能化检测需求越来越大，其中，车轮尺寸参数是否合规，影响着列车运行的安全性，如轮缘高度、轮缘厚度、轮缘垂直磨耗、QR值等；而这些车轮尺寸需要基于踏面基点的位置进行测量。踏面基点(tread taping point)是1997年公布的铁道科学技术名词，含义为：距离车轮内侧面70mm处踏面上的一点。
[0003]目前主流踏面基点检测方式为人工检测或利用视觉传感器进行自动检测，其中人工检测效率低下，误检率高，工作强度大；利用视觉传感器检测，通常需要在车轮周围固定视觉传感器，由视觉传感器向车轮表面发出结构光，通过被调制的结构光实现车轮尺寸参数检测。其中，视觉传感器分为单线结构光传感器和多线结构光传感器，多线结构光传感器能够同时发射多条激光条，单次测量范围更大，但其造价高、发出的激光条亮度低并且光平面精度较低；相比之下，单线结构光传感器造价低、发出的激光条亮度高并且光平面精度更高，随着车轮转动，向车轮的不同位置发出单线结构光也可以实现车轮尺寸的全检测；但是现有技术中，采用单线结构光传感器测量车轮尺寸，为了满足测量精度要求，需要保障传感器投射的光平面经过列车轮轴，如冯其波等发表的论文：列车轮对几何参数与缺陷动态测量，该方案基于一维激光位移传感器(即单线结构光传感器)动态检测车轮几何参数，在2.2节中重点指出了“基于结构光的轮廓测量方法难点在于激光器投射的激光平面与被测轮对圆心不重合”的技术问题。为此，现有方案中要保障传感器投射的光平面经过列车轮轴，增加了单线结构光传感器的安装成本和耗时，并且，当传感器长时间使用后，位置可能发生偏移，进而影响测量精度。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本文提出了一种基于单线结构光的车轮尺寸检测方法，本方法虽然采用了单线结构光传感器进行尺寸检测，但是无需光平面经过列车轮轴，减少了传感器的安装调试时间以及传感器制造成本。
[0005]技术方案如下：
[0006]一种基于单线结构光的踏面基点检测方法，在车轮内侧安装单线结构光传感器，其投射出的激光条能够贯穿车轮踏面并覆盖局部的车轮内侧面，同时，列车轮轴所在轴线不位于光平面上；
[0007]通过以下标定过程，获取并存储车轮内侧面的基准法向量：
[0008]①
将无磨耗的正常车轮或者等比例还原无磨耗正常车轮的车轮模具记为标定车轮；
[0009]所述标定车轮的踏面上沿车轮的周向设有一个或多个特征点，所述特征点距所述标定车轮内侧面的距离均为定长A；所述特征点的位置均设有标识；
[0010]②
单线结构光传感器向所述车轮踏面投射激光条，该激光条穿过标识并有部分投影在车轮内侧面；
[0011]采集图像，提取图像中的光条中心线；记光条中心线上标识的位置为点B；
[0012]③
利用投影在车轮内侧面的光条中心线上的点拟合直线L；
[0013]将经过直线L并且与点B之间的距离值为定长A的空间平面记为车轮的基准内侧面，将该基准内侧面的法向量存储为基准法向量；
[0014]检测时，通过以下步骤获取踏面基点：
[0015]1)单线结构光传感器向车轮踏面投射局部投影于车轮内侧面的激光条；采集图像，所述图像中仅包含调制后的激光条；
[0016]2)获取结构光图像中的光条中心线；
[0017]采用与标定过程相同的方法确定光条中心线上属于投影在车轮内侧面上的点，利用其拟合直线；将经过该直线并且法向量为基准法向量的空间平面记为车轮内侧面；
[0018]3)将光条中心线上距车轮内侧面间距70mm的点记为踏面基点。
[0019]进一步，步骤
②
中，采集的图像中仅包含调制后的激光条；
[0020]所述标识能够遮挡激光条，使激光条标识所在位置断开；
[0021]或者，所述标识能够调制激光条，使激光条在踏面基点的位置发生变形。
[0022]优选，所述标识的形态为黑色吸光平面标识或者立体标识；
[0023]步骤
②
确定点B的方式为：
[0024]当标识为黑色吸光平面标识时，光条中心线在标识的位置处断开，断点即为点B；
[0025]当标识为立体标识时，光条中心线在标识的位置处发生变形，拐点即为点B。
[0026]进一步，步骤
②
中，采集的图像为：在相同位置处采集的一组二维图像和结构光图像；
[0027]所述二维图像中仅包含相机视场范围内的标定车轮表面或者同时包含调制后的激光条和相机视场范围内的标定车轮表面；所述结构光图像中仅包含调制后的激光条；
[0028]所述标识能够显示在二维图像中。
[0029]进一步，步骤
②
中，所述标识的形态为以下形态中的一种：
[0030]形态一：长条状标识，其固定在踏面上且单侧边穿过各个特征点；
[0031]形态二：点状标识，其数量与踏面基点数量一致，并分别固定在特征点上；
[0032]形态三：矩形凸起标识，其设置在踏面上且单个棱边穿过各个特征点；
[0033]形态四：矩形凹陷标识，其设置在踏面上且单个棱边穿过各个特征点。
[0034]进一步，确定点B的方式为：
[0035]先在二维图像中，根据标识的位置确定特征点的像素坐标；再在结构光图像中查找与该像素坐标位置相对应的光条中心点。
[0036]进一步，若二维图像中仅包含相机视场范围内的标定车轮表面，根据标识的位置确定踏面基点的像素坐标的方法为：
[0037]当标识呈长条状时，将穿过特征点的边记为特征边；在二维图像中的特征边选取多个点记为特征点的像素坐标；
[0038]当标识呈点状时，在二维图像中将标识几何中心处的像素点记为特征点的像素坐标；
[0039]当标识为矩形凸起标识或矩形凹陷标识，将穿过特征点的棱边记为特征边，在二维图像中的特征边选取多个点记为特征点的像素坐标；
[0040]若二维图像中同时包含调制后的激光条和相机视场范围内的标定车轮表面，根据标识的位置确定特征点的像素坐标的方法为：
[0041]当标识呈长条状时，将穿过踏面基点的边记为特征边，在二维图像中，将光条中心线与特征边的交点记为特征点的像素坐标；
[0042]当标识呈点状时，在二维图像中，将标识几何中心处的光条中心点记为特征点；
[0043]当标识为矩形凸起标识或矩形凹陷标识，将穿过特征点的棱边记为特征边；在二维图像中，将光条中心线与特征边的交点记为特征点。
[0044]优选，步骤
①
中，设有2～10特征点；
[0045]步骤
②
中，转动车轮，单线结构光传感器向各个标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于，在车轮内侧安装单线结构光传感器，其投射出的激光条能够贯穿车轮踏面并覆盖局部的车轮内侧面，同时，列车轮轴所在轴线不位于光平面上；通过以下标定过程，获取并存储车轮内侧面的基准法向量：
①
将无磨耗的正常车轮或者等比例还原无磨耗正常车轮的车轮模具记为标定车轮；所述标定车轮的踏面上沿车轮的周向设有一个或多个特征点，所述特征点距所述标定车轮内侧面的距离均为定长A；所述特征点的位置均设有标识；
②
单线结构光传感器向所述车轮踏面投射激光条，该激光条穿过标识并有部分投影在车轮内侧面；采集图像，提取图像中的光条中心线；记光条中心线上标识的位置为点B；
③
利用投影在车轮内侧面的光条中心线上的点拟合直线L；将经过直线L并且与点B之间的距离值为定长A的空间平面记为车轮的基准内侧面，将该基准内侧面的法向量存储为基准法向量；检测时，通过以下步骤获取踏面基点：1)单线结构光传感器向车轮踏面投射局部投影于车轮内侧面的激光条；采集图像，所述图像中仅包含调制后的激光条；2)获取结构光图像中的光条中心线；采用与标定过程相同的方法确定光条中心线上属于投影在车轮内侧面上的点，利用其拟合直线；将经过该直线并且法向量为基准法向量的空间平面记为车轮内侧面；3)将光条中心线上距车轮内侧面间距70mm的点记为踏面基点。2.如权利要求1所述基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于：步骤
②
中，采集的图像中仅包含调制后的激光条；所述标识能够遮挡激光条，使激光条标识所在位置断开；或者，所述标识能够调制激光条，使激光条在踏面基点的位置发生变形。3.如权利要求1所述基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于：所述标识的形态为黑色吸光平面标识或者立体标识；步骤
②
确定点B的方式为：当标识为黑色吸光平面标识时，光条中心线在标识的位置处断开，断点即为点B；当标识为立体标识时，光条中心线在标识的位置处发生变形，拐点即为点B。4.如权利要求1所述基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于：步骤
②
中，采集的图像为：在相同位置处采集的一组二维图像和结构光图像；所述二维图像中仅包含相机视场范围内的标定车轮表面或者同时包含调制后的激光条和相机视场范围内的标定车轮表面；所述结构光图像中仅包含调制后的激光条；所述标识能够显示在二维图像中。5.如权利要求4所述基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于：步骤
②
中，所述标识的形态为以下形态中的一种：形态一：长条状标识，其固定在踏面上且单侧边穿过各个特征点；形态二：点状标识，其数量与踏面基点数量一致，并分别固定在特征点上；形态三：矩形凸起标识，其设置在踏面上且单个棱边穿过各个特征点；
形态四：矩形凹陷标识，其设置在踏面上且单个棱边穿过各个特征点。6.如权利要求5所述的基于单线结构光的踏面基点检测方法，其特征在于：确定点B的方式为：先在二维图像中，根据标识的位置确定特征点的像素坐标；再在结构光图像中查找与该像素坐标位置相对应的光条中心点。7.如权利要求6所述的基于单线结构光的踏面...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊，尹仕斌，郭寅，任皓靖，张楠楠，
申请(专利权)人：易思维杭州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：